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日志

科普“上帝粒子”

热度 32已有 25881 次阅读2012-7-5 18:30 |系统分类:科技| 科普, 上帝粒子

(c) 版权所有,未经岳东晓许可,不得转载

首先,“上帝粒子”这个词可能会引起很多人的反感,我第一次看到这个词就是如此。但习惯了这种通俗的叫法之后,比起叫它HIGGS波色子可能要更好懂一点。你也可以换个角度来看,牛顿就认为自己是上帝的使者,给人类带来宇宙的知识。牛顿之后的物理学家很少有人这么自我定位,但是物理学在杨振宁之后的迅猛发展真正使我们人类出走了蒙昧,在一套基本理论基础上,定量地理解了宇宙起源之后的几乎一切。

这个屡试不爽的基本物理理论有一个很普通的名字:“标准模型”(Standard Model),它的组成部分就是SU(2)xU(1)的弱点统一理论与SU(3)的量子色动力学。而这个”标准模型”是基于杨振宁发现的规范场理论,加上所谓对称自发破却的Higgs(希格斯)机制。过去的几十年中,围绕这个标准模型,物理学家进行了难以计数的计算,而这些计算又都与实验得到了几乎完美的吻合。每一次,大家都在发出感叹:标准模型还是对的。这对希望在理论与实验的差异中寻找新的突破的人们来说,是一次次的失望。对于另一群人来说,则可能是在变幻的世界中找到了不变的真理。

根据目前的数据,Higgs粒子很可能是找到了。在我继续科普之前,我们可以说,标准模型又对了。对于人类而言,这是值得庆贺的事情---我们的智力竟然可以窥破自然界如此深奥的秘密。这个秘密告诉我们也许最基本的问题,为什么我们有质量。或者说,我们的质量是从哪来的。

牛顿猜出了一个牛顿第二定律:F=ma,力等于质量乘以加速度。这是所有中学生都知道的。但牛顿无法告诉你质量从何而来。爱因斯坦写下 E =mc^2,但他也无法告诉你这个m从何而来。杨振宁创立了规范场理论,这个理论可以推导出所有的相互作用的方程,但是杨振宁的理论里物质粒子的质量只能是人为的加上。

把杨振宁的理论与Higgs的机制结合起来,就构成了我们前面提到的标准模型。所以,要科普“上帝粒子”,我们得先讲杨振宁。

物理学而且与其他自然科学不同,是一门精确科学,很多理论结果能有实验验证到小数点后10几位。但物理规律其实都是根据简单的不变性原理推导而来。比如说,今天的物理应该与昨天一样,从这个不变性,我们可以推导出能量守恒。一个实验在不同的位置进行,结果应该相同,由此我们得出动量守恒的原理。一个人在迅速运动的火车上应该得出与地上的人一样的物理规律,由此就导出了狭义相对论。爱因斯坦说,一个人在电梯里自由下落,感觉不到地球引力。由此原理,他导出了广义相对论---也就是引力理论。而由广义相对论,我们发现光线会引力作用下拐弯,恒星可能坍缩成黑洞,宇宙会爆炸、膨胀。

杨振宁说。。。。

。。。。未完待续。。。。【接着写】

在杨振宁之前,人类真正能够写下方程的物理作用只有引力与电磁相互作用。这两种作用对于人类无疑是最直观的。引力无所不在。没有引力人连直立行走都很难,看看刘洋在天宫一号的努力就知道了。无论是闪电雷鸣,手机通讯,还是化学反应,包括生命运转的所有化学反应其实都是电磁作用的结果。引力与电磁作用的共同特点是他们的作用距离是无限远,因此人类能够进行宏观实验。通过实验,总结出它们的规律。牛顿发现,两个物体之间的引力与他们质量乘积成正比,与他们之间距离的平方成反比;类似的,电荷之间的作用力也与其电荷的乘积成正比,与距离的平方成反比。

随着物理学的发展,电磁相互作用成了一组严密而美妙的数学方程,这就是每一个科学与工程人士都应该熟知的麦克思维方程(Maxwell's equations)。它们是英法联军焚烧圆明园后的第二年英国物理学家 Maxwell根据前人的研究结果总结出来的电磁理论。直到今天,整个电机系的东东,基本上就是解这几个方程。而后,爱因斯坦以其天才的洞察力,发展了引力的几何理论---也就是广义相对论。

引力属于非常微弱的作用---试想,整整一个地球的引力才能把我们困在地面。而电磁作用也不强。当人类的探索走向微观,人们发现,物质原来蕴涵了巨大的能量。粒子之间强大的作用力,正是核能的源泉。在人类文明发端以来,宇宙起源之谜一直是一个哲学问题。而根据爱因斯坦的广义相对论方程以及相应的天文观测,人们已经知道,宇宙源于所谓大爆炸。如果反推到遥远的过去,整个宇宙都是充斥着巨高能量的粒子。而理解这一切,就需要像麦克斯韦尔方程那样的定量科学理论。

但是与引力与电磁力不同,粒子之间其他作用是非常短距离的。这个距离之短不是一跟头发的粗细,而是小于一根头发的万亿分之一,完全超出了可以直接观测的范围。人们迫切需要一种像爱因斯坦的广义相对论一样,没有任何实验数据却破空而出的惊世杰作,用纯粹理性把我们带进宇宙奥秘的神秘之门。在这个理论出现之前,世界上所有基本物理理论都不过是在盲人摸象而已。

1954年,也就是广岛原爆后9年,一位年轻的中国人发表了一篇现在称为YANG-MILLS规范场的论文。这篇标题看似平淡的论文在今天看来奠定了整个标准模型的理论基础。在这篇论文里,杨振宁博士以他绝不亚于爱因斯坦的洞察力,给出了所有相互作用的原理,以及对应的精确的数学方程。这就是我们今天经常听到的规范场理论。

与其他基本物理理论一样,规范场理论也是基于物理规律的不变性(搞物理的人也喜欢用对称性这个词),就是物理规律应该在某种变换下保持不变。如上所述,不变性原理推出了相对论以及动量量守恒等基本规律。当杨振宁把这种不变性扩展到基本粒子的量子理论,他惊人地发现,要使理论保持不变,就必须存在对应的相互作用。这就是所谓规范场。

具体来说,杨振宁发现,如果有两种粒子,那么它们之间的变化可以用一个2x2的复数矩阵描述,如果物理规律要在这种类型的局域变换下保持一致,则不能光有这两个粒子,还必须加一个相互作用。换言之,从本来没有考虑相互作用的自由粒子方程开始,一旦考虑规范不变原理,我们就必须要求粒子之间有相互作用,而且这个规范不变原理还告诉你相互作用应该是怎样的。读者如果没有理解这个原理的深刻以及其意义,应该认真思考一下。

杨振宁的2x2矩阵方程导致的理论称为 SU(2)规范场。我们今天已经知道,夸克之间的强相互作用是一种SU(3)的、精确的杨-米尔斯规范场(SU(3)也就是对应3x3的复数矩阵)。这个3,代表了一类夸克的三种颜色。强相互作用由夸克之间交换质量为0的所谓胶子(GLUON)完成。强相互作用(太阳内氦的聚变发热就是涉及强相互作用)的理论是杨振宁理论的简单与直接推广。

电磁力是由光子传递的,光子的零质量是电磁力距离无穷的原因。当时,人们认为,粒子之间的弱作用与强作用都是短程的,也就意味着其相互作用应该是由有质量的粒子传递(注)。但在杨振宁理论中,规范场粒子不能有质量---因为如果规范场有质量,物理方程就不能保持规范不变了。因此杨振宁论文刚刚问世的时候,其新颖的理论不为人所接受。特别是他遭到老一辈物理学家如Pauli等人的刁难式疑问。据传,在杨振宁之前,Pauli尝试了一种六维空间的爱因斯坦方程,但没有得到什么结果。而杨振宁的理论则无疑是一种现代的、深刻的革命性思维。

但科学发展的车轮是滚滚向前,不可阻挡的。无数物理学家前仆后继,开辟了人类从蒙昧走向文明的道路。规范场的质量产生问题的解决方案从似乎不相干的超导体理论得到了启发。

超导体大家都应该听说过的。如果你去医院做核磁共振检查,那台机器的核心部分就是一个超导体做的电磁铁。超导现象的第一个特征是没有电阻,一旦电流形成,可以永久的保持。但超导体还有一个更为基本的特征,那就是它完全排斥磁场----磁场不能从超导体中间通过。如果你去网上搜索,有很多这种超导演示的视频---一块超导体悬浮在半空之中(实际是在一块磁铁上空)。从理论物理的角度,这个现象意味着超导体内,光子获得了质量。对于这个质量的解释,苏联物理学家朗道提出了所谓朗道-金兹堡模型,在电子的电磁量子方程里凭空加了一项。这一项如果画一个图,像一个墨西哥帽子,中间突出,环绕着一圈低谷。与很多物理理论一样,这种模型的微观原理最初都没有解释,而是一种纯粹的灵感。但这个理论与实验得到了极好的吻合。基于基本原理的超导的微观理论的发现是在若干年之后,由所谓BCS理论完成。

有鉴于朗道-金兹堡模型成功地给零质量光子提供了质量(而且维持局域规范不变),固体物理学家安德森建议粒子物理学家们尝试类似的方案,也就是几乎空穴来 风一般地在YANG-MILLS方程里加一个新的场。加入这个新的场之后,原本没有质量的规范场获得了质量,而规范场维持了其局域的规范不变。首先写出这 个方程的人是Higgs。但他的论文寄出去被拒绝了,只好做了些修改之后再发给其他刊物。这是1964年的事情,也就是杨振宁论文发表后十年。

很多人在提到HIGGS机制的时候,喜欢使用对称自发破缺的说法,其实这是一个用词的谬误。实际上,HIGGS机制恰恰维持了YANG-MILLS规范场的局域不变性(local gauge invariance)。也就是说,规范不变才是王道。

数年之后,温伯格等人把 YANG-MILLS场与Higgs理论综合起来,用SU(2)xU(1)的规范场加上HIGGS场,成功构造了弱电统一理论。二这个理论有很快得到了实验的验证,观测到了传播弱作用的三种规范波色子(W、Z规范波色子)。

Higgs理论不仅给传播相互作用的规范场波色子(boson) 赋予了质量,还成了所有物质粒子(称为费米子,fermion, 如夸克与电子等)质量的来源。这是因为,与一般的场不同,Higgs场的真空值不为零。如下图所示,墨西哥帽子中心代表了HIGGS 场为0 的情况,而此处是一个尖顶,显然是不稳的,而稳定的状态是帽檐的沟谷处,这就代表HIGGS场的真空值不为0。整个真空弥漫这这种HIGGS场,而物质粒子的质量就是取决于它们与这个背景场的耦合大小。用个不是很准确的比方,这就像大鱼在水中游泳觉得惯性大,而小虾感觉惯性小,惯性大小就是质量。

Higgs粒子如果最终被证实,我们都应该庆祝。人类自古自问的一个问题,我们来自哪里,在标准模型-----也就是SU(2)xU(1)的弱电统一理论加上SU(3)的量子色动力学-----再一次得到实验证实之际,有了更为可靠的答案。2000年以前,人类还在迷信雷公电母、天狗吃日。今天,我们凭着自己的理性,掌握了自然界深层的机密。


但显然,标准模型不是终极真理,如同朗道模型一样,Higgs场背后必然有着更深刻的基本原理。

一旦我们进一步突破,或许我们的知识使我们能够构造一个全新的宇宙---也就是成为上帝。


----------------岳东晓 2012-07-05 于加州


注:我们现在知道,虽然gluon质量为零,但是由于规范场的非线性,导致所谓夸克囚禁。


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发表评论 评论 (27 个评论)

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flicker 照妖镜 | 回复 匿名 2012-7-5 18:54
比之方舟子,岳博士的文笔更流畅,内容更易懂呢.
回复 VANO 2012-7-5 19:12
: 比之方舟子,岳博士的文笔更流畅,内容更易懂呢.
       可爱。
回复 岳东晓 2012-7-5 19:19
: 比之方舟子,岳博士的文笔更流畅,内容更易懂呢.
呵呵,我讲的东西可比方舟子的进化论科普(很多还是抄的)要深多了。
回复 老糊涂 2012-7-5 19:36
俺坐前排学习, 期待下集  
回复 蓝天白云 2012-7-5 20:29
不懂,还是认真在听。。。
回复 鱼雷一号 2012-7-5 20:54
上帝的粒子.
回复 人間的盒子 2012-7-5 22:44
谢谢科普。
回复 人間的盒子 2012-7-5 22:44
: 比之方舟子,岳博士的文笔更流畅,内容更易懂呢.
当心方粉们哈。
回复 №½㎡ 2012-7-5 22:50
人間的盒子: 当心方粉们哈。
前几天他的福建老乡不是在这里注册了很多多ID吗?
回复 VANO 2012-7-5 23:00
人間的盒子: 当心方粉们哈。

有道理!我还私下邀请过方舟子呢。
我对老方说,有个菜鸟很喜欢。

老方的死对头倒是对我不错的。教我知识呢。
回复 pengl 2012-7-6 01:52
The international team of scientists and engineers—which includes a large contingent from Caltech, led by Newman and Maria Spiropulu, professor of physics—says it needs more data to determine for certain if the particle they've discovered is indeed the Higgs boson predicted by the Standard Model, the theory that describes how all particles interact. The results so far, however, show that it has many of the properties expected for such a particle.

"One of the most exciting aspects of this observation is that the road remains open for a vast range of 'lookalike' alternatives, where any deviation from the Standard Model would point the way to the existence of other new particles or forces of nature," Newman says.

Regardless of the exact identity of the new particle, CERN's scientists say, the highly anticipated discovery heralds a new era in physics.

。。。。。。
Using the CMS (Compact Muon Solenoid)detector, the physicists identified signals that point to a new particle with a mass of 125 gigaelectron volts (GeV, a unit of mass; in comparison, the mass of a proton is about 1 GeV). The team running the ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)detector, which searches for the Higgs using a different method, reported similar results.

"This is an incredible, exciting moment," says Spiropulu. "Even these early results give us important hints as to how mass in the universe came to be. Together with hundreds of our colleagues Caltech scientists have worked for decades to reach this point: building multiple generations of experiments; designing and building detectors to precisely measure photons, electrons, and muons, which are keys to the discovery; and inventing worldwide systems that empower thousands of physicists throughout the world to collaborate day and night, share and analyze the data, and develop the new techniques leading to this great result."

To search for the Higgs, physicists have had to comb through the remains of trillions of particle collisions produced by the LHC, which accelerates protons around a ring almost five miles wide to nearly the speed of light. As the protons careen toward each other, a small fraction of them collide, creating other particles such as the Higgs. It is estimated that it takes one billion collisions to make just one Higgs boson.

The Higgs is fleeting, however, and quickly decays into lighter particles, which are the traces that allow the Higgs to be detected and analyzed. The Higgs is predicted to decay in several different ways, or channels, each resulting in different particles. CMS focuses mainly on the decay channels that result in two photons or two other particles called Z bosons. It was by measuring and analyzing these and other decay particles that the physicists were able to discover the potential Higgs.

When all the decays are taken into account in combination, the scientists announced, the data for a signal corresponding to a Standard Model Higgs boson have a statistical significance of five sigmas. This means the signal is highly unlikely to be the result of a statistical fluke caused by some rare, background fluctuation. Only when data are significant to five sigmas are physicists confident enough to declare a discovery.

Last December, evidence seen in the data from CMS generated plenty of excitement as a result of an excess of events—a slight surplus in particle collision events over what would have been expected if the Higgs does not exist—with a statistical significance of just three sigmas.

The Higgs boson is the last remaining fundamental particle predicted by the Standard Model yet to be detected, and hopes of detecting it was one of the chief reasons for building the LHC. The LHC accelerator, along with the CMS and ATLAS experiments, are arguably the largest and most complex scientific instruments ever built.

Despite its many successes, the Standard Model is incomplete—it does not incorporate gravity or dark matter, for example. One of the goals of physicists, then, is to develop more complete theories that better explain the composition of the universe and what happened during the first moments after the Big Bang. Discovering the Higgs boson—or a particle like it—is essential for developing these new theories.

The measurements of the new particle, the physicists say, are so far consistent—within statistical uncertainty—with the Higgs boson as predicted by the Standard Model. Still, they need more data to know for sure whether it is the predicted Higgs or something stranger, a Higgs lookalike—a prospect that many theorists have long been anticipating.  

By the end of 2012, the Caltech researchers say, the CMS collaboration expects to more than double its current total amount of data. With more data and analysis, the scientists might then be able to confirm whether the particle they announced is indeed the Higgs—and whether it is the Standard Model Higgs or a more exotic version.
回复 纸老虎 2012-7-6 02:49
: 比之方舟子,岳博士的文笔更流畅,内容更易懂呢.
   为什么就和方舟子比之呢
回复 admin 2012-7-6 04:27
VANO:   
有道理!我还私下邀请过方舟子呢。
我对老方说,有个菜鸟很喜欢。

老方的死对头倒是对我不错的。教我知识呢。 ...
欢迎方舟子来。不过这家伙现在整天被一群粉丝围着,俨然把自己当成帮派头子了。
回复 №½㎡ 2012-7-6 07:47
纸老虎:    为什么就和方舟子比之呢
说到科普作家,师爷级的非舟子莫属.
'宁静千年 '也有介绍上帝粒子的博文,我理解为新闻,想象不出这上帝粒子的神奇.
回复 岳东晓 2012-7-6 08:01
纸老虎:    为什么就和方舟子比之呢
方舟子学生物的,科学知识有限,很难写出什么真正的科普。大多是东抄西抄,内容也基本以进化论为主。未登科技的大雅之堂。
回复 №½㎡ 2012-7-6 08:19
人类自古自问的一个问题,我们来自哪里...
回复 lzh112 2012-7-6 11:11
流畅的科普文章。是岳大侠自己写的么?如果是,敬仰一下,如果东抄抄,西抄抄,也要佩服一下。因为流畅的科普介绍必须是懂得人才可以抄的这么好。
回复 岳东晓 2012-7-6 11:15
lzh112: 流畅的科普文章。是岳大侠自己写的么?如果是,敬仰一下,如果东抄抄,西抄抄,也要佩服一下。因为流畅的科普介绍必须是懂得人才可以抄的这么好。 ...
当然是我写的。除了验证几个年代外,基本是两气呵成。昨天写了一半,今天写了一半、
回复 lzh112 2012-7-6 11:37
岳东晓: 当然是我写的。除了验证几个年代外,基本是两气呵成。昨天写了一半,今天写了一半、
要敬仰一下!!
回复 温和宝 2012-7-6 11:50
岳东晓: 当然是我写的。除了验证几个年代外,基本是两气呵成。昨天写了一半,今天写了一半、
杨振宁所获的诺贝尔奖,和这个规范场理论是否有关联?
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